電子工程師論文征稿網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度

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　　摘 要 文章首先闡述了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的信息特征和信息調(diào)度的概念和意義。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究方法：調(diào)度與控制分開設(shè)計(jì)和調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計(jì)兩大方面，介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究現(xiàn)狀。最后探討了有待解決的問題和發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);信息調(diào)度;靜/動(dòng)態(tài)調(diào)度;混合調(diào)度;調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計(jì)

　　1　引言

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Network Control System，NCS)是指?jìng)鞲衅鳌⒖刂破骱蛨?zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)形成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。目前，大部分關(guān)于NCS的研究針對(duì)NCS存在的問題和特性建立系統(tǒng)模型、分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、給出控制方法和控制規(guī)律，以保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和高質(zhì)量的控制性能。然而NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制規(guī)律的設(shè)計(jì)，而且還受到網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)資源的限制。信息調(diào)度盡量避免網(wǎng)絡(luò)中信息的沖突和擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的服務(wù)性能。

　　2 　NCS中的信息特征與信息調(diào)度概念

　　在NCS中網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒅饕譃閮深悾簩?shí)時(shí)性信息和非實(shí)時(shí)性信息[3]。實(shí)時(shí)性信息對(duì)時(shí)間要求非常苛刻，如果在規(guī)定時(shí)間的上限內(nèi)某一信息未能起作用，則該信息將被丟棄，啟用最新的信息。而在NCS信息調(diào)度策略中主要調(diào)度兩類數(shù)據(jù)信息：周期性信息和非周期性信息。周期性信息是一種實(shí)時(shí)性信息，一般要求在傳輸周期時(shí)間內(nèi)必須傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，周期性信息也被稱為時(shí)間觸發(fā)信息或者同步信息。非周期性信息是指節(jié)點(diǎn)間的請(qǐng)求服務(wù)等信息，它們的發(fā)生時(shí)刻是隨機(jī)的，非周期性信息也被稱為事件觸發(fā)信息、異步信息或者隨機(jī)性信息。

　　此外，在NCS信息調(diào)度中不能忽視突發(fā)性信息，突發(fā)性信息指一些事先無法預(yù)知的突發(fā)性的或者隨機(jī)的事件(例如報(bào)警信號(hào)、異常處理等)，這類信息必須在一定時(shí)間內(nèi)給予處理，否則系統(tǒng)可能出現(xiàn)異常甚至癱瘓。

　　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，信息調(diào)度發(fā)生在應(yīng)用層，即傳感器、控制器與執(zhí)行器之間信息傳遞的過程中。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸碰撞時(shí)，信息調(diào)度規(guī)定節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先發(fā)送次序、發(fā)送時(shí)刻和時(shí)間間隔，以避免網(wǎng)絡(luò)沖突。

　　在NCS中，如果網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務(wù)時(shí)限內(nèi)完成，則稱網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸是可調(diào)度的。

　　3　典型的NCS信息調(diào)度算法

　　目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究主要分為調(diào)度與控制的分開設(shè)計(jì)和調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計(jì)。

　　3.1　調(diào)度與控制的分開設(shè)計(jì)

　　在NCS的研究中，一類研究是針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)，研究提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的信息調(diào)度方法;另一類研究是在一定的網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度方法基礎(chǔ)上，研究提高NCS性能的控制方法。因此，信息調(diào)度方法對(duì)改善NCS性能起著很大的作用。

　　根據(jù)信息對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，信息調(diào)度分為靜態(tài)調(diào)度(又稱離線調(diào)度)、動(dòng)態(tài)調(diào)度(又稱在線調(diào)度)和混合調(diào)度。

　　3.1.1　靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度

　　目前靜態(tài)調(diào)度算法很多，本文著重介紹以下幾種典型的算法以及算法的改進(jìn)。

　　速率單調(diào)靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度 (Rate Monotonic Scheduling Model) 算法的調(diào)度優(yōu)先級(jí)由任務(wù)周期確定，在任務(wù)周期等于時(shí)限的同步實(shí)時(shí)任務(wù)系統(tǒng)中是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。但是該算法具有調(diào)度判定具有指數(shù)時(shí)間復(fù)雜度、對(duì)任務(wù)的執(zhí)行周期限制的過于嚴(yán)格、只能處理具有固定周期的任務(wù)等缺點(diǎn)。鑒于上述缺點(diǎn)Lehoczky等[23]提出了擴(kuò)大調(diào)度可行性條件的RM算法。Sha等[22]考慮到任務(wù)的阻塞，給出了非搶占服務(wù)方式下RM算法的可調(diào)度條件。葉明等[5]基于RM算法提出了一種新的實(shí)時(shí)調(diào)度算法(Hard Real-time Communication Scheduler，HRTCS)。文遠(yuǎn)保等[4]針對(duì)任務(wù)的周期和調(diào)度優(yōu)先級(jí)關(guān)系不固定的流媒體提出了改進(jìn)的RM算法。

　　截至?xí)r間單調(diào)調(diào)度模型(Deadline Monotonic Scheduling Model )策略的任務(wù)優(yōu)先級(jí)由任務(wù)時(shí)限來決定。該調(diào)度算法要防止任務(wù)越過其時(shí)限而得不到調(diào)度，從而影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。當(dāng)任務(wù)周期和時(shí)限相同或者所有同步周期性任務(wù)時(shí)，DM算法都是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。

　　由Hong等提出的基于時(shí)間窗的靜態(tài)帶寬調(diào)度算法避免了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中產(chǎn)生干擾和數(shù)據(jù)沖突。Hong等還將該調(diào)度方法應(yīng)用于循環(huán)服務(wù)型NCS和CAN 網(wǎng)下的NCS中。

　　劉魯源[6]等鑒于該調(diào)度方法只限于調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中的周期數(shù)據(jù)，提出基于同步相和異步相的時(shí)間窗調(diào)度算法，使非周期數(shù)據(jù)也可以采用該基于時(shí)間窗的靜態(tài)調(diào)度算法。

　　3.1.2　動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度

　　在動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法中，任務(wù)的時(shí)間約束關(guān)系并沒有完全確定，新任務(wù)的到達(dá)時(shí)間是未知的。下面介紹幾種經(jīng)典的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法。

　　Liu和Layland提出的時(shí)限最早的任務(wù)優(yōu)先調(diào)度(Earliest deadline first scheduling)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)是任務(wù)時(shí)限與任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻的差，該算法對(duì)同步周期任務(wù)組是最佳的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。鑒于EDF是搶占式調(diào)度算法，任務(wù)間的切換時(shí)需要大量開銷。Baker[12]給出了非搶占士服務(wù)方式下EDF算法的可調(diào)度性條件。張惠娟等[11]提出了一種基于EDF算法的優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)度算法，較大程度地克服了EDF算法在多處理器系統(tǒng)中的調(diào)度缺點(diǎn)。劉懷等[10]提出了基于EDF算法的容錯(cuò)調(diào)度算法。張奇智等[7]采用非中斷的EDF調(diào)度方法來改善周期性數(shù)據(jù)幀的端到端延遲。洪艷偉等[1]提出了分別在簡(jiǎn)單模型上和復(fù)雜模型上如何判定實(shí)時(shí)任務(wù)的可行性。

　　最小松弛優(yōu)先調(diào)度(Least laxity first)和EDF算法可看作同類型的調(diào)度算法，任務(wù)優(yōu)先級(jí)是完成時(shí)限和任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻的差再減去周期任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。LLF算法盡量避免了長(zhǎng)周期任務(wù)的頻繁等待、執(zhí)行，具有較小的抖動(dòng)性。

　　最大誤差優(yōu)先—嘗試一次丟棄(most error first-try once discard)是Walsh 等[8]人提出的基于在線獲取的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)傳輸誤差和動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬的調(diào)度算法。

　　Otanez 等[9]人提出的基于死區(qū)的動(dòng)態(tài)調(diào)度在確保系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)地丟棄一定比率的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。但是當(dāng)多個(gè)獲準(zhǔn)訪問網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，該策略不能確定數(shù)據(jù)包發(fā)送的優(yōu)先級(jí)。

　　基于業(yè)務(wù)平滑的動(dòng)態(tài)調(diào)度是Kewon等利用業(yè)務(wù)平滑的技術(shù)控制Ethernet網(wǎng)的通信量，通過在Ethernet 網(wǎng)的UDP( TCP/ IP) 層和MAC 層插入定速率業(yè)務(wù)平滑器和自適應(yīng)業(yè)務(wù)平滑器以限定MAC 層數(shù)據(jù)包的到達(dá)速率，并且保證網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的有界性，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量.

　　Cena等提出的優(yōu)先級(jí)提升—分布式優(yōu)先級(jí)排隊(duì)調(diào)度( PP-DPQ)可以保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸最大間隔具有確定上界，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在傳輸中公平地競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源。

　　基于時(shí)間窗的動(dòng)態(tài)調(diào)度(Dynamic Time Window)是Raja對(duì)基于時(shí)間窗的靜態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)，提出優(yōu)先級(jí)循環(huán)服務(wù)和動(dòng)態(tài)時(shí)間窗的帶寬分配策略。

　　模糊動(dòng)態(tài)調(diào)度是白濤[13]等將模糊控制理論引入到NCS 信息調(diào)度中，利用基于IF2THEN 規(guī)則的模糊邏輯確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。

　　3.1.3　混合調(diào)度

　　Zuberi等針對(duì)CAN 下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出混合通信調(diào)度(MTS)策略。在設(shè)計(jì)調(diào)度策略時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不同，可以分別采用不同的調(diào)度策略，以提高網(wǎng)絡(luò)資源的可調(diào)度性。Tabuada等[27]給出的退火控制任務(wù)的事件觸發(fā)實(shí)時(shí)調(diào)度是基于有反饋事例的事件觸發(fā)調(diào)度器，并且給出了它如何保證系統(tǒng)性能的條件。

　　3.2　調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計(jì)

　　目前關(guān)于控制與調(diào)度共同設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)受到越來越多的重視，大體可分為開環(huán)調(diào)度和反饋控制實(shí)時(shí)調(diào)度兩方面。

　　3.2.1　開環(huán)調(diào)度

　　1)對(duì)NCS 中各個(gè)控制環(huán)中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)采樣周期和采樣時(shí)刻的調(diào)度

　　Hong基于“窗口”的概念，給出了一種通過調(diào)度采樣時(shí)間來減少時(shí)延的影響并提高網(wǎng)絡(luò)利用率的調(diào)度算法，建立了NCS 控制系統(tǒng)性能與網(wǎng)絡(luò)性能間的約束關(guān)系。但該算法是基于令牌環(huán)系統(tǒng)(token passing system) 和輪詢系統(tǒng)(polling system) 的一維對(duì)象的調(diào)度，系統(tǒng)中信息類型僅限于周期性信息。Kim等[16 ]基于相同思想提出了適用于多維對(duì)象的采樣時(shí)間調(diào)度算法。劉魯源等[17 ]提出了利用剩余的時(shí)間窗口調(diào)度非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率的調(diào)度算法。

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